CN106018264A - 基于表面织构的机械结合面动态接触参数测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于表面织构的机械结合面动态接触参数测量装置及方法，测量装置包括底座、底板，底板与底座通过第一丝杠连接，底板上固定有固定套，所以固定套内设有导向轴，通过法向施力螺栓向上抵顶于导向轴，导向轴的上方设有垫块，垫块与导向轴之间设有压力传感器，垫块上固定有第一试件，两侧的底座分别通过第二丝杠连接于顶板，顶板上设有激振器和第二试样，激振器向下抵触于第二试样，第二试样的两侧设有加速度传感器，通过调整第一丝杠或/和第二丝杠，控制第二试样与第一试样之间法向接触或切向接触，上述测量装置简化成了单自由度系统，利用一套装置就可以进行两试件的法向和切向接触刚度的测量，结构简单，降低了测试的复杂程度。

Description

基于表面织构的机械结合面动态接触参数测量装置及方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，特别是涉及一种基于表面织构的机械结合面动态接触参数测量装置及方法。

背景技术

机械往往是由许多零部件组成的，各零件之间通过不同的方式匹配连接，机械部件之间连接的界面被称为“机械结合面”。由于机械结合面的存在，导致机械局部刚度降低，使机械整体并不是一个连续体，对整个机械结构的动力学性能起到重要影响，据统计，超过60％的机械振动问题来源于机械结合面。接触动力学中将机械结合面视为柔性系统，使用接触刚度和接触阻尼两个重要参数来表征机械结合面动力学特性，因此接触刚度和接触阻尼的测量方法即影响因素一直是许多学者关注的研究方向。

现有的机械结合面接触刚度及接触阻尼的测试装置多为多自由度系统，增加了测试的复杂程度，难以准确获取结合面的动态特性测试信号；而且现有测试装置多为单一测试装置，只能测量机械结合面法向或切向接触参数。因此，有必要设计一种更好的测试装置，以解决上述问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种使试样的法向接触刚度和切向接触刚度可在同一装置上测得，降低了测试复杂程度的基于表面织构的机械结合面动态接触参数测量装置及方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于表面织构的机械结合面动态接触参数测量装置，包括设于两侧的底座，所述底座之间设有底板，所述底板与所述底座通过第一丝杠连接，所述底板上固定有固定套，所以固定套内设有导向轴，所述底板下方设有法向施力螺栓，所述法向施力螺栓向上抵顶于所述导向轴，所述导向轴的上方设有垫块，所述垫块与所述导向轴之间设有压力传感器，所述垫块上固定有第一试件，两侧的所述底座分别通过第二丝杠连接于顶板，所述顶板上设有激振器和第二试样，所述激振器向下抵触于所述第二试样，所述第二试样的两侧设有加速度传感器，通过调整所述第一丝杠或/和所述第二丝杠，控制所述第二试样与所述第一试样之间法向接触或切向接触。

进一步，所述导向套的两侧通过第一螺栓固定于所述底板。

进一步，所述顶板的底部设有凹槽，所述第二试件嵌卡于所述凹槽内。

进一步，所述第一试样通过第二螺栓安装于所述垫块，所述垫块并排设有多个螺孔，当所述第一试样与所述第二试样法向接触时，所述第二螺栓安装于所述垫块中部的所述螺孔，当所述第一试样与所述第二试样切向接触时，所述第二螺栓安装于偏离中部的所述螺孔。

进一步，所述第一试样与所述第二试样切向接触时，两者分别向两侧各偏移至少15mm。

进一步，所述底座向上延伸设有多个导轨，所述顶板套设于所述导轨，可沿所述导轨上下移动。

进一步，所述第一试样与所述第二试样切向接触时，所述第一试样和所述第二试样远离彼此的另一侧面设有磁铁，且通过第三螺栓将所述磁铁、所述第一试样及所述第二试样相连接。

一种采用上述基于表面织构的机械结合面动态接触参数测量装置的方法,包括：

a、进行法向结合面的法向接触刚度测量，包括：

步骤一：将所述第一试样安装于所述垫块，所述第二试样安装于所述顶板，调整所述第二丝杠使所述第一试样和所述第二试样法向接触；

步骤二：使用所述法向施力螺栓均匀加力，直至达到其设定的最大预紧力；

步骤三：开启所述激振器，给所述第二试样施加法向激振力，并测得此时所述压力传感器和所述加速度传感器的参数，进行数据处理后得到法向结合面的压力-位移曲线，进而得到各点处的曲线斜率，即法向接触刚度；

b、进行切向结合面的切向接触刚度测量，包括：

步骤一：将所述第一试样安装于所述垫块偏离中心的一侧，所述第二试样安装于所述顶板偏离中心的另一侧，调整所述第一丝杠和所述第二丝杠使所述第一试样和所述第二试样切向接触；

步骤二：将磁铁贴置于所述第一试样和所述第二试样远离彼此的侧面，并采用第三螺栓将所述磁铁、所述第一试样及所述第二试样相连接；

步骤三：使用所述法向施力螺栓均匀加力，直至达到其设定的最大预紧力；

步骤四：开启所述激振器，给所述第二试样施加切向激振力，并测得此时所述压力传感器和所述加速度传感器的参数，进行数据处理后得到切向结合面的压力-位移曲线，进而得到个点处的斜率，即切向接触刚度。

进一步，法向接触刚度或/和切向接触刚度测量完成后，通过计算可获得法向接触阻尼或/和切向接触阻尼。

进一步，在做完一组试样的测量后，更换所述第一试样和所述第二试样，重复上述测量过程，得到多组不同类型结合面处法向接触刚度和切向接触刚度的测量数据。

本发明的有益效果：

本发明测量装置通过调整第一丝杠或/和第二丝杠，控制第二试样与第一试样之间法向接触或切向接触，且通过压力传感器、加速度传感器采集信号并传输至计算机系统进行数据处理，可以测得两试样法向结合面的法向接触刚度及切向结合面的切向接触刚度，上述测量装置简化成了单自由度系统，利用一套装置就可以进行两试件的法向和切向接触刚度的测量，结构简单，大大降低了测试的复杂程度；本发明将表面织构技术运用到机械结合面上，通过接触谐振法测量机械结合面的法向及切向接触刚度，通过实验研究织构特性对接触刚度及接触阻尼的影响，探求一种有目的改变机械结合面动态特性的新方法。

附图说明

图1为本发明基于表面织构的机械结合面动态接触参数测量装置的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明测量法向结合面的法向接触刚度时试样的安装示意图；

图4为本发明测量切向结合面的切向接触刚度时试样的安装示意图；

图中，1—底座、2—底板、3—第一丝杠、4—固定套、5—第一螺栓、6—导向轴、7—法向施力螺栓、8—垫块、9—压力传感器、10—第一试样、11—第二螺栓、12—螺孔、13—第二丝杠、14—导轨、15—顶板、16—激振器、17—激振头、18—凹槽、19—第二试样、20—加速度传感器、21—磁铁、22—第三螺栓。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1，本发明提供一种基于表面织构的机械结合面动态接触参数测量装置，将表面织构技术运用到机械结合面上，通过接触谐振法测量机械结合面的法向及切向接触刚度，通过实验研究织构特性对接触刚度及接触阻尼的影响，探求一种有目的改变机械结合面动态特性的新方法。

如图1，测量装置包括设于两侧的底座1，两个底座1之间设有底板2，底板2与底座1通过第一丝杠3连接，底板2上固定有固定套4，优选的，固定套4两侧通过第一螺栓5固定于底板2，固定套4内中空设置，装设有导向轴6，导向轴6可在固定套4内上下滑动。底板2的下方设有法向施力螺栓7，法向施力螺栓7穿过底板2并进入固定套4内，向上抵顶于导向轴6的底面，通过旋转法向施力螺栓7可以对导向轴6施加向上的作用力。导向轴6的上方设有垫块8，垫块8与导向轴6之间设有压力传感器9，垫块8上固定有第一试件10。

如图1及图2，每个底座1的两侧分别向上延伸有导轨14，顶板15套设于导轨14上，可沿导轨14上下移动。两侧的导轨14之间设有第二丝杠13，第二丝杠13的底部连接于底座1，顶部连接于顶板15，通过第二丝杠13驱动顶板15沿导轨14上下移动，从而控制顶板15与底座1之间的距离。顶板15上设有激振器16和第二试样19，激振器16位于顶板15的上方，其底部设有激振头17向下抵触于第二试样19。顶板15的底部设有凹槽18，第二试件19嵌卡于凹槽18内，第二试样19的两侧设有加速度传感器20。

优选的，第一试样10通过第二螺栓11安装于垫块8，垫块8上并排设有多个螺孔12，当第一试样10与第二试样19法向接触时，第二螺栓11安装于垫块8中部的螺孔12，当第一试样10与第二试样19切向接触时，第二螺栓11安装于偏离中部的螺孔12。通过将第一试件10调整位置，使得可以在上述测量装置上测得法向接触刚度和切向接触刚度。

如图1、图3及图4，当需要测量法向结合面的法向接触刚度时，第一试样10与第二试样19法向接触，此时第一试样10安装于垫块8的中心位置，第二试样19安装于顶板15的中心位置，第一试样10与第二试样19对齐，然后调整第二丝杠13使顶板15下降，此时第二试样19朝向第一试样10移动，直至第二试样19与第一试样10的端面法向接触。当需要测量切向结合面的切向接触刚度时，第一试样10与第二试样19切向接触，此时调整第一丝杠3使底板2连同其上的固定套4、垫块8及第一试样10均向一侧偏移，同时调整第一试样10安装于垫块8螺孔12的位置，最终使第一试样10向一侧偏移至少15mm。然后调整第二试样19安装于顶板15凹槽18内的位置，使第二试样19向远离第一试样10的一侧偏移至少15mm，然后再调整第一丝杠3和第二丝杠13使第一试样10朝向第二试样19移动，直至第一试样10与第二试样19切向接触。

如图4，进一步的，在第一试样10与第二试样19切向接触时，第一试样10和第二试样19远离彼此的一侧均贴置有磁铁21，通过第三螺栓22穿过磁铁21、第一试样10及第二试样19将三者连接为一体。在研究切向载荷对切线接触参数的影响时，除了控制切向载荷以外，还需要控制法向载荷，所以本装置采用两块永磁铁将法向载荷控制在一个固定值。用两块强力永磁铁分别和两试件用第三螺栓22固定起来，主要是利用磁铁21的磁力是两块试件吸附在一起，这样可以完全隔绝切向力和法向力之间的相互作用。

本发明通过调整第一丝杠3或/和第二丝杠13，控制第二试样19与第一试样10之间法向接触或切向接触，通过压力传感器9、加速度传感器20采集信号并传输至计算机系统进行数据处理，最终得到两试样法向结合面的法向接触刚度及切向结合面的切向接触刚度，上述测量装置简化成了单自由度系统，利用一套装置就可以进行两试件的法向和切向接触刚度的测量，结构简单，大大降低了测试的复杂程度。上述测量装置通过第一丝杠3和第二丝杠13可以上下左右移动，测试时可以根据所用试件的大小进行调整，不会因为试件的尺寸限制测量装置本身的使用，使测量装置适用范围更广，不仅适用固定面间的接触特性测试，对于滑动结合面、球-平面的接触特性同样适用。

上述测量装置采用激振器16施加法向冲击，激振器16是由振动源固有的偏心质量块绕定轴转动产生的方向成周期性交变的离心力，所以我们可以根据实验要求调整激振器16的激振力，通过激振器16激振力输出大小来改变所需要施加的法向冲击。激振器16在试件的表面中心进行法向或切向激振时，激振力方向通过其重心，这样施加法向或切向激励时，试件在激振力方向上可以获得平衡的振型，避免扭转或侧翻等；同时测量时间和基础的振动信号，在计算机系统频响函数时消除了基础振动信号的影响，具有高效、高精度的特点。

本发明还提出一种采用上述基于表面织构的机械结合面动态接触参数测量装置的方法,分别测量法向接触刚度和切向接触刚度，进而算得法向接触阻尼和切向接触阻尼，从而探求改变机械结合面动态特性的方法。

a、进行法向结合面的法向接触刚度测量，包括：

步骤一：将第一试样10安装于垫块8中心，第二试样19安装于顶板15的中心，调整第二丝杠13使第一试样10和第二试样19法向接触；

步骤二：使用法向施力螺栓7均匀加力，直至达到其设定的最大预紧力；

步骤三：开启激振器16，给第二试样19施加法向激振力，并测得此时压力传感器9和加速度传感器20的参数，将数据传输给计算机系统进行数据处理后得到法向结合面的压力-位移曲线，进而得到各点处的曲线斜率，即法向接触刚度。

做完一组测量后，更换第一试样和第二试样，重复上述步骤，得到多组不同类型结合面的法向接触刚度数据。

b、进行切向结合面的切向接触刚度测量，包括：

步骤一：将第一试样10安装于垫块8偏离中心的一侧，第二试样19安装于顶板15偏离中心的另一侧，第一试样10和第二试样19向两侧各偏移15mm，调整第一丝杠3和第二丝杠13使第一试样10和第二试样19切向接触；

步骤二：将磁铁21贴置于第一试样10和第二试样19远离彼此的侧面，并采用第三螺栓22将磁铁21、第一试样10及第二试样19相连接；

步骤三：使用法向施力螺栓7均匀加力，直至达到其设定的最大预紧力；

步骤四：开启激振器16，给第二试样19施加切向激振力，并测得此时压力传感器9和加速度传感器20的参数，进行数据处理后得到切向结合面的压力-位移曲线，进而得到个点处的斜率，即切向接触刚度。

在做完一组试样的测量后，更换第一试样10和第二试样19，重复上述测量过程，得到多组不同类型结合面处切向接触刚度。

在测得法向接触刚度和切向接触刚度后，通过计算可获得法向接触阻尼和切向接触阻尼。通过实验研究织构特性对接触刚度及接触阻尼的影响，探求一种有目的改变机械结合面动态特性的新方法。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种基于表面织构的机械结合面动态接触参数测量装置，其特征在于，包括：设于两侧的底座，所述底座之间设有底板，所述底板与所述底座通过第一丝杠连接，所述底板上固定有固定套，所以固定套内设有导向轴，所述底板下方设有法向施力螺栓，所述法向施力螺栓向上抵顶于所述导向轴，所述导向轴的上方设有垫块，所述垫块与所述导向轴之间设有压力传感器，所述垫块上固定有第一试件，两侧的所述底座分别通过第二丝杠连接于顶板，所述顶板上设有激振器和第二试样，所述激振器向下抵触于所述第二试样，所述第二试样的两侧设有加速度传感器，通过调整所述第一丝杠或/和所述第二丝杠，控制所述第二试样与所述第一试样之间法向接触或切向接触。

2.根据权利要求1所述的基于表面织构的机械结合面动态接触参数测量装置,其特征在于：所述导向套的两侧通过第一螺栓固定于所述底板。

3.根据权利要求1所述的基于表面织构的机械结合面动态接触参数测量装置,其特征在于：所述顶板的底部设有凹槽，所述第二试件嵌卡于所述凹槽内。

4.根据权利要求1所述的基于表面织构的机械结合面动态接触参数测量装置,其特征在于：所述第一试样通过第二螺栓安装于所述垫块，所述垫块并排设有多个螺孔，当所述第一试样与所述第二试样法向接触时，所述第二螺栓安装于所述垫块中部的所述螺孔，当所述第一试样与所述第二试样切向接触时，所述第二螺栓安装于偏离中部的所述螺孔。

5.根据权利要求1所述的基于表面织构的机械结合面动态接触参数测量装置,其特征在于：所述第一试样与所述第二试样切向接触时，两者分别向两侧各偏移至少15mm。

6.根据权利要求1所述的基于表面织构的机械结合面动态接触参数测量装置,其特征在于：所述底座向上延伸设有多个导轨，所述顶板套设于所述导轨，可沿所述导轨上下移动。

7.根据权利要求1所述的基于表面织构的机械结合面动态接触参数测量装置,其特征在于：所述第一试样与所述第二试样切向接触时，所述第一试样和所述第二试样远离彼此的另一侧面设有磁铁，且通过第三螺栓将所述磁铁、所述第一试样及所述第二试样相连接。

8.一种采用权利要求1所述的基于表面织构的机械结合面动态接触参数测量装置的方法,其特征在于：

a、进行法向结合面的法向接触刚度测量，包括：

步骤一：将所述第一试样安装于所述垫块，所述第二试样安装于所述顶板，调整所述第二丝杠使所述第一试样和所述第二试样法向接触；

步骤二：使用所述法向施力螺栓均匀加力，直至达到其设定的最大预紧力；

步骤三：开启所述激振器，给所述第二试样施加法向激振力，并测得此时所述压力传感器和所述加速度传感器的参数，进行数据处理后得到法向结合面的压力-位移曲线，进而得到各点处的曲线斜率，即法向接触刚度；

b、进行切向结合面的切向接触刚度测量，包括：

步骤一：将所述第一试样安装于所述垫块偏离中心的一侧，所述第二试样安装于所述顶板偏离中心的另一侧，调整所述第一丝杠和所述第二丝杠使所述第一试样和所述第二试样切向接触；

步骤二：将磁铁贴置于所述第一试样和所述第二试样远离彼此的侧面，并采用第三螺栓将所述磁铁、所述第一试样及所述第二试样相连接；

步骤三：使用所述法向施力螺栓均匀加力，直至达到其设定的最大预紧力；

步骤四：开启所述激振器，给所述第二试样施加切向激振力，并测得此时所述压力传感器和所述加速度传感器的参数，进行数据处理后得到切向结合面的压力-位移曲线，进而得到个点处的斜率，即切向接触刚度。

9.根据权利要求8所述方法,其特征在于：法向接触刚度或/和切向接触刚度测量完成后，通过计算可获得法向接触阻尼或/和切向接触阻尼。

10.根据权利要求8所述方法,其特征在于：在做完一组试样的测量后，更换所述第一试样和所述第二试样，重复上述测量过程，得到多组不同类型结合面处法向接触刚度和切向接触刚度的测量数据。